Technologie

Stromtragfähigkeit

Bei einem Steckverbinder ist eindeutig festgelegt, welche Kontaktpartner (Stift und Buchse) aufeinandertreffen. In der Regel wird ein Kontaktsystem so ausgewählt, dass die Stromtragfähigkeit den angeschlagenen Leitungen entspricht. Kabelquerschnitte und zulässige Ströme sind also mittels Standards definiert. Powerelemente haben keinen Gegenstecker. Der „Gegenstecker“ ist quasi die Leiterplatte mit dem jeweiligen, individuellen Layout. Folgende Merkmale beeinflussen die Stromtragfähigkeit:

  • Leitungsquerschnitte (Leiterbreite und Kupferdicke)
  • Anzahl der Lagen
  • Positionierung des Hochstromkontaktes
  • Wärmemanagement

Auf der Anschlussseite sind die Bedingungen ebenfalls vielfältig. So kann beispielweise an einem M8-Gewindestift ein Kabelschuh für Querschnitte von 6 bis 95 mm² aufgelegt werden, eine Kupferschiene aufliegen, oder ein Bauelement, z.B. MEGA-Fuse, angeschlossen sein.

Die Stromtragfähigkeit von Stromversorgungselementen muss daher immer im Kontext des Gesamtsystems betrachtet werden. Die vielfältigen Einflüsse lassen sich nicht auf eine verbindliche Angabe einer Stromtragfähigkeit, die auf die einzelnen Powerelemente bezogen wird, reduzieren. Die bei Powerelementen der Würth Elektronik ICS gemachten Angaben beziehen sich daher immer auf eine rein spezifische Testumgebung. Unter diesen Bedingungen werden eine Aussage zur Stromtragfähigkeit gemacht und eine Derating-Kurve abgeleitet. Dies bedeutet jedoch keineswegs, dass es sich hierbei um die maximal mögliche Stromtragfähigkeit handelt. Richtig umgesetzt, ist eine wesentlich höhere Stromtragfähigkeit möglich.

Was ist eine Derating-Kurve?

Derating bedeutet Lastminderung. Im Zusammenhang mit elektromechanischen Verbindungen beschreibt daher eine Derating-Kurve, um wie viel die Stromtragfähigkeit bei steigender Umgebungstemperatur sinkt.

Derating-Kurve PowerOne Powerelement

In der Abbildung sind Derating-Kurven verschiedener PowerOne-Powerelemente zu sehen. Die Anbindung auf zwei breiten 70µm Leiterplattenlagen erlaubt 300A bei 20°C Umgebungstemperatur mit einem Element, welches über 20 Pins umlaufend verfügt. Die Voraussetzung ist, dass ein ausreichender Kabelquerschnitt angeschlagen wird. Die Kurven enden bei 125°C, dem sogenannten Glasumwandlungspunkt von Standard-FR4-Leiterplattenmaterial. Wählt man ein Material mit höherem Wert, z.B. TG170, dann enden die Kurven bei ca. 170°C. Bei Raumtemperatur sind somit wesentlich höhere Ströme als 300A möglich.

Wo sind die Grenzen der Stromtragfähigkeit?

Auf dem PowerOne-Datenblatt findet sich der Wert 1000A. Dies soll zum Ausdruck bringen, dass die Einpressverbindung in der Regel nicht der begrenzende Faktor ist. Ein derartig hoher Strom ist durchaus darstellbar. Eine 8-Lagen-Leiterplatte à 105µm aus TG170-Material mit der entsprechenden Layout-Gestaltung lässt diesen Wert zu.

Beeinflusst die Position im Leiterbild die Stromtragfähigkeit?

Will man hohe Ströme in die Leiterplatte einspeisen, spielt die Positionierung des Powerelements im Layout eine wesentliche Rolle. Die schematische Darstellung zeigt, dass die Belastbarkeit deutlich sinkt, wenn das Element am Rand oder gar in der Ecke einer Leiterfläche positioniert wird. Ein Powerelement mit einem Kantenmaß von 13x13mm sollte umlaufend mit Kupferfläche versehen werden, z.B. mit 6mm. Grundsätzlich sollte die maximale Fläche als Kupferfläche ausgeführt werden. Diese wirkt wie ein Kühlkörper.

Positionierung des Powerelements im Layout

Welchen Einschalt- oder Impulsstrom verkraften Powerelemente mit massiven Pins?

Klassische Steckverbindungen sind technisch limitiert. Wird ein Steckverbinder stark genug überlastet, kommt es an den Kontaktflächen zwischen Buchse und Stift zu einer Verschweißung. Der Kontakt bzw. die Kontaktoberfläche sind zerstört. Was beim Stecker nicht erwünscht ist, ist beim Einpresskontakt eine Grundeigenschaft. Durch den Einpressvorgang ist eine Kaltverschweißung entstanden. Eine kurzzeitige Überlastung um ein Vielfaches des Nennstroms hat keinen Einfluss auf die Eigenschaften der Einpresszone.

Kann die Kaltverschweißung durch überhöhtes Anzugsdrehmoment beschädigt werden?

Maximales Drehmoment für Powerelemente

Nein. Die Darstellung zeigt, welche Bereiche die Kraft aufnehmen, wenn ein Powerelement z.B. mit dem Bruchdrehmoment angezogen wird. Nahezu die komplette Energie wird durch das Element, speziell im Bereich des Überganges von Gewindestift in das Grundelement, aufgenommen. Im Einpressbereich treten keine nennenswerten Kräfte auf.

Bevor also die Kaltverschweißung Schaden nimmt, wird der Stift bzw. das Gewinde beschädigt.

All die genannten Eigenschaften machen die Powerelemente in massiver Einpresstechnik von Würth Elektronik ICS zur ersten Wahl. Insbesondere wenn hohe Ströme eingespeist werden und Robustheit bzw. Langlebigkeit gefordert sind.

Lassen Sie sich individuell zur Gestaltung Ihres Layouts beraten.